1、青島科技大學機電工程學院裝控系 化工設備機械基礎講稿 第13章PAGE PAGE 11第13章章 壓力力容器的的開孔與與補強本章重點點內容及及對學生生的要求求：回轉殼體體上開小小孔造成成的應力力集中；開孔補強強的原則則、補強強結構和和補強計計算；不另行補補強的要要求；GB1550-998對容容器開孔孔及補強強的有關關規定。第一節容容器開孔孔附近的的應力集集中1、相關關概念（1）容容器開孔孔應力集集中（OOpenningg annd sstreess conncenntraatioon）在壓力容容器或設設備上開開孔是化化工過程程操作所所決定的的，由于于工藝或或者結構構的需要要，容器器上經常常需要

2、開開孔并安安裝接管管，例如如：人孔孔、手孔孔、進料料與出料料口等等等。容器器開孔接接管后在在應力分分布與強強度方面面會帶來來下列影影響：開孔破壞壞了原有有的應力力分布并并引起應應力集中中。接管處容容器殼體體與接管管形成結結構不連連續應力力。殼體與接接管連接接的拐角角處因不不等截面面過渡而而引起應應力集中中。上述三種種因素均均使開孔孔或開孔孔接管部部位的引引力比殼殼體中的的膜應力力大，統統稱為開開孔或接接管部位位的應力力集中。（2）應應力集中中系數（sstreess conncenntraatioon ffacttor）常用應力力集中系系數Ktt來描述述開孔接接管處的的力學特特性。若若未開孔孔時

3、的名名義應力力為，開孔孔后按彈彈性方法法計算出出的最大大應力為為maxx，則彈彈性應力力集中系系數為： （11）壓力容器器設計中中對于開開孔問題題研究的的兩大方方向是：研究開孔孔應力集集中程度度，估算算Kt值；在強度上上如何使使因開孔孔受到的的削弱得得到合理理的補強強。2、平板板開小孔孔的應力力集中Fig. 1 Varriattionn inn sttresss iin aa pllatee coontaainiing a ccircculaar hholee annd ssubjjectted to uniiforrm ttenssionn 設有一個個尺寸很很大的巨巨型薄平平板，開開有一個個

4、圓孔，其其小圓孔孔的應力力集中問問題可以以利用彈彈性力學學的方法法進行求求解。承承受單向向拉伸應應力開小小圓孔的的應力集集中如圖圖1所示示，只要要板寬在在孔徑的的5倍以以上，孔孔附近的的應力分分量為： （22）平板開孔孔的最大大應力在在孔邊 處， 孔邊邊沿處：應力集中中系數：3、薄壁壁球殼開開小圓孔孔的應力力集中如圖2所所示，球球殼受雙雙向均勻勻拉伸應應力作用用時，孔孔邊附近近任意點點的受力力為：Fig. 2 Varriattionn inn sttresss iin aa sppherre sshelll cconttainningg a cirrcullar holle 孔邊處rr=a，

5、, 應力集中系數4、薄壁壁圓柱開開小圓孔孔的應力力集中 如圖圖3所示示，薄壁壁柱殼兩兩向薄膜膜應力，如果果開有小小圓孔，則則孔邊附附近任意意點的受受力為：（3）Fig. 3 Vaariaatioon iin sstreess in a ccyliindrricaal sshelll cconttainningg a cirrcullar holle孔邊處。但但是在孔孔邊處最大，孔孔邊處徑徑向截面面處的應應力集中中系數KKt2.5。而而在另一一個截面面，即軸軸向截面面的孔邊邊處的最最大應力力，此處處應力系系數Ktt0.5，比比徑向截截面的應應力集中中系數小小得多。其他情況況，例如如開橢圓圓孔以及

6、及排孔等等情況詳詳見國標標規定。針針對開孔孔部位的的殼體或或者封頭頭壁厚為為，直徑徑為D，開開孔的孔孔徑為dd時，在在接管根根部開孔孔邊緣處處的應力力集中現現象呈現現如下的的特點：最大應力力在孔邊邊，是應應力集中中最嚴重重的地方方；應力集中中具有局局部性，其其范圍也也是極為為有限的的；應力集中中的情況況和開孔孔的孔徑徑與直徑徑的相對對尺寸dd/D成成正比，開開孔不宜宜過大；應力集中中和成反反比；所所以增大大開孔四四周殼體體的壁厚厚，則可可以極大大改善應應力集中中的情況況，因此此在開孔孔周圍一一定的范范圍內，采采用焊接接補強圈圈的方法法。球殼上開開孔的應應力集中中系數稍稍低于通通體上開開孔的應應

7、力集中中系數；因此在在可能的的情況下下，在封封頭上開開孔，優優于在殼殼體上開開孔。5、應力力集中對對容器安安全的影影響接管和殼殼體均為為具有良良好塑性性的材料料制成，如如果容器器內介質質壓力平平穩，對對容器的的安全使使用不會會有太大大的影響響；如果容器器內有較較大的壓壓力波動動，則應應力集中中區的金金屬在交交變的高高應力作作用下會會出現反反復的塑塑性變形形，導致致材料硬硬化，并并產生疲疲勞破壞壞。應力力集中是是產生疲疲勞破壞壞的根源源。6、開孔孔并帶有有接管時時的應力力集中系系數以上討論論的是僅僅在殼體體上開孔孔，但是是在實際際中通常常是還在在開孔處處有接管管，開孔孔處因為為接管與與殼體在在內

8、壓作作用下發發生變形形協調而而導致不不連續應應力出現現。例如如球殼與與圓管的的連接如如下圖所所示。因因此接管管對開孔孔邊緣處處的應力力集中影影響也需需要考慮慮。 Fiig. 4 DDefoormaatioon aand intternnal forrcess inn thhe oopenningg off sppherre sshelll應力集中中系數曲曲線：為了便于于設計、對對不同直直徑的和和不同厚厚度的殼殼，帶有有不同直直徑與接接管，按按理論計計算得到到的應力力集中系系數繪制制成一組組組曲線線。應力力集中系系數曲線線圖繪制制根據：殼體的的直徑，殼殼體厚度度；接管的的直徑，接接管厚度度；接管

9、形形式的平平齊接管管，插入入接管,的不同同而繪制制。第二節 容器的的開孔補補強開孔部分分的應力力集中將將引起殼殼體局部部的強度度削弱，若若開孔很很小并有有接管，且且接管又又能使強強度的削削弱得以以補償，則則不需另另行補強強。若開開孔較大大，就要要采取適適當的補補強措施施。 一般容容器只要要通過補補強將應應力集中中系數降降低到一一定的范范圍即可可。按“疲勞設設計”的容器器必須嚴嚴格限制制開孔接接管部位位的最大大應力。經經過補強強后的接接管區可可以使應應力集中中系數降降低，但但不能消消除應力力集中。1、開孔孔補強的的基本原原則當在容器器開孔后后，由于于各種強強度富余余量的存存在，開開孔并非非都要補

10、補強。而而在孔周周圍不需需要進行行補強的的規定，稱稱為開孔孔補強設設計的基基本原則則。（1）允允許不補補強開孔孔的原因因應力集集中的局局部性原原因，根根據應力力集中的的局部性性特征，開開孔附近近的峰值值應力，不不會產生生殼體的的整體屈屈服；當應力力集中系系數小于于時，開開孔附近近除疲勞勞斷裂外外，不產產生一般般的強度度破壞；容器有有效壁厚厚，是在在計算壁壁厚值加加上壁厚厚附加量量，按商商品鋼板板系列的的圓整值值。一般般大于強強度值的的要求，從從整體上上得到了了加強。在壁厚厚計算公公式中，焊焊縫系數數一般小小于1，在規定定中，明明確指出出，開孔孔不允許許在焊縫縫影響區區內，則則認為開開孔區的的強

11、度承承載能力力高于焊焊縫區。（2）允允許不另另行補強強的最大大開孔直直徑 a.不另行行補強的的最大孔孔徑為 b.當當兩孔中中心之間間的間距距大與兩兩孔直徑徑之和的的兩倍時時，則每每一孔均均可視為為單個開開孔。2、開孔孔補強形形式（1）內內加強平平齊接管管：將補強強金屬加加在接管管或殼體體的內側側。（2）外外加強平平齊接管管：將補強強金屬加加在接管管和殼體體的外側側（3）凸凸出接管管對稱加加強：采用突突出接管管，接管管的內伸伸端與外外伸端同同時加強強形式（4）密密集補強強形式：補強金金屬集中中在接管管與殼體體的連接接處以上四類類補強形形式，從從補強的的效果，即即補強所所附加金金屬起到到的實際際作

12、用，實實踐證明明了密集集補強效效果最好好。對稱稱凸出接接管列第第二，外外加強最最差。3、補強強結構（1）貼貼板補強強結構貼板補強強結構是是在開孔孔周圍貼貼焊一個個補強圈圈，補強強圈的材材料和厚厚度一般般與殼體體相同。（a）需需要保證證補強圈圈與殼體體全面貼貼合； (bb)需要要保證焊焊縫的全全焊透結結構； (cc) 在在補強圈圈上開有有M100的通孔孔，以充充氣檢驗驗其焊透透性；（d）常常用場合合：中低低壓容器器。（2）接接管補強強結構：即在開開孔處焊焊接一段段加厚的的接管，加加厚接管管處于最最大應力力區，故故能有效效的降低低應力集集中系數數。（a）優優點：結結構簡單單，焊縫縫小，容容易對焊焊

13、縫質量量進行檢檢驗(b)缺缺點：焊焊縫處在在最大應應力區內內； (c)當用于于重要設設備時，應應保證焊焊縫的全全焊透性性。焊縫縫磨平，進進行無損損探傷。 （d）常常用場合合：低合合金鋼容容器或某某些高壓壓容器。（3）整整鍛件補補強結構構：將接管管于殼體體連同加加強部分分做成一一整體鍛鍛件。（a）優優點：補補強金屬屬集中于于開孔應應力最大大部位，應應力集中中系數最最小。焊焊縫及熱熱影響區區離開最最大應力力點位置置，抗疲疲勞性能能優越。 (b)缺點：鍛件供供應困難難，制造造煩瑣，成成本較高高。（c）常常用場合合：只用用于重要要的設備備，如高高壓容器器，核容容器等。4、開孔孔補強的的設計準準則（1）

14、等等面積補補強準則則 該方方法認為為在有效效的補強強范圍內內，殼體體處本身身承受內內壓所需需截面積積外的多多余截面面積A不不少于開開孔所減減少的有有效截面面積A00。等面面積補強強法是世世界各國國延用已已久的一一種經驗驗設計方方法。開孔削弱弱的截面面積，指指沿殼體體縱向截截面上的的開孔投投影面積積。式中：dd為開孔孔直徑或或接管內內徑加上上壁后附附加量CC后的直直徑。 TT為殼體體按內壓壓或外壓壓計算所所需的計計算厚度度。 FFr為材材料強度度削弱系系數，即即設計溫溫度下接接管材料料 與與殼體材材料許用用應力之之比，ffr11.0有效補強強范圍： 等面面積補強強法認為為在右圖圖中的WWXYZZ

15、的矩形形范圍內內補強是是有效的的。補強區內內補強金金屬面積積A (a)容器殼殼體設計計厚度之之外的多多余金屬屬截面積積：A1筒體或或封頭，承承受內壓壓或外壓壓所需的的厚度和和壁厚附附加量之之外剩余余的金屬屬面積。A1（B-d）(SS-C)-Soo，C 壁厚附附加量 式中TTn，ttn分別別為殼體體及接管管的名義義厚度 T為為容器殼殼體的計計算厚度度 C為為接管的的壁厚附附加量 frr為材料料的強度度削弱系系數 （bb）接管管所需計計算厚度度之外的的多余金金屬截面面積：A2 接管承承受內壓壓或外壓壓所需厚厚度和壁壁厚附加加量兩者者之外多多余的金金屬面積積。A222h1(St-Stoo-C)+2h

16、h2(SSt-CC1-CC2) 式中中：t為接管管按內壓壓或外壓壓計算所所需的計計算厚度度；C22為接接管的腐腐蝕附加加量。 （cc）在有有效補強強區內焊焊縫金屬屬的截面面積。 （dd）在有有效補強強區內另另加的補補強元件件的截面面積。若A1+A2+A3A，開孔孔不需要要補強A1+AA2+AA3 A，開開孔需要要補強則A4A-(A1+A2+A3) A4 補強強金屬截截面積。（2）極極限分析析補強設設計準則則由于開孔孔只造成成殼體的的局部強強度削弱弱，如果果在某一一壓力載載荷下容容器開孔孔處的某某一區域域其整個個截面進進入塑性性狀態，以以至發生生塑性流流動，此此時的載載荷便為為極限載載荷。利利用塑性性力學方方法對帶帶有整體體補強的的開孔補補強結構構求解出出塑性失失效的極極限載荷荷。以極極限載荷荷為依據據來進行行補強結結構設計計，即以以大量的的計算可可以定出出補強結結構的尺尺寸要求求，使其其具有相相同的應應力集中中系數。（3）開開孔補強強的其他他問題以上是殼殼體上單單個開孔孔的等面面積補強強方法，工工程上有有時還會會碰到并并聯開孔孔的情況況，如果果各相鄰鄰孔之間間的空心心距離小小于兩孔孔平均直直徑的兩兩倍